To enhance the marker density in the “QTL-hotspot” region, harboring several QTLs for drought tolerance-related traits identified on linkage group 04 (CaLG04) in chickpea recombinant inbred line (RIL) mapping population ICC 4958 × ICC 1882, a genotyping-by-sequencing approach was adopted. In total, 6.24 Gb data from ICC 4958, 5.65 Gb data from ICC 1882 and 59.03 Gb data from RILs were generated, which identified 828 novel single-nucleotide polymorphisms (SNPs) for genetic mapping. Together with these new markers, a high-density intra-specific genetic map was developed that comprised 1,007 marker loci spanning a distance of 727.29 cM. QTL analysis using the extended genetic map along with precise phenotyping data for 20 traits collected over one to seven seasons identified 49 SNP markers in the “QTL-hotspot” region. These efforts have refined the “QTL-hotspot” region to 14 cM. In total, 164 main-effect QTLs including 24 novel QTLs were identified. In addition, 49 SNPs integrated in the “QTL-hotspot” region were converted into cleaved amplified polymorphic sequence (CAPS) and derived CAPS (dCAPS) markers which can be used in marker-assisted breeding.

Abstract Aegilops tauschii, the diploid wild progenitor of the D-subgenome of bread wheat, constitutes a reservoir of genetic diversity for improving bread wheat performance and environmental resilience. To better define and understand this diversity, we sequenced 242 Ae. tauschii accessions and compared them to the wheat D-subgenome. We characterized a rare, geographically-restricted lineage of Ae. tauschii and discovered that it contributed to the wheat D-subgenome, thereby elucidating the origin of bread wheat from at least two independent hybridizations. We then used k -mer-based association mapping to identify discrete genomic regions with candidate genes for disease and pest resistance and demonstrated their functional transfer into wheat by transgenesis and wide crossing, including the generation of a library of ‘synthetic’ hexaploids incorporating diverse Ae. tauschii genomes. This pipeline permits rapid trait discovery in the diploid ancestor through to functional genetic validation in a hexaploid background amenable to breeding.

Abstract The great efforts spent in the maintenance of past diversity in genebanks are rationalized by the potential role of plant genetic resources in future crop improvement – a concept whose practical implementation has fallen short of expectations. Here, we implement genomics-informed parent selection to expedite pre-breeding without discriminating against non-adapted germplasm. We collect dense genetic profiles for a large winter wheat collection and evaluate grain yield and resistance to yellow rust in representative coresets. Genomic prediction within and across genebanks identified the best parents for PGR x elite derived crosses that outyielded current elite cultivars in multiple field trials.

Abstract Illuminating the mechanisms of inflorescence architecture of grain crops that feed our world may strengthen the goal towards sustainable agriculture. Lateral spikelet development of barley ( Hordeum vulgare L.) is such an example of a floral architectural trait regulated by VRS1 (Vulgare Row-type Spike 1 or Six-rowed Spike 1, syn. HvHOX1). Its lateral spikelet-specific expression and the quantitative nature of suppressing spikelet development were previously shown in barley. However, the mechanistic function of this gene and its paralog HvHOX2 on spikelet development is still fragmentary.Here, we show that these duplicated transcription factors (TFs) have contrasting nucleotide diversity in various barley genotypes and several Hordeum species. Despite this difference, both proteins retain their basic properties of the homeodomain leucine zipper class I family of TFs. During spikelet development, these genes exhibit similar spatiotemporal expression patterns yet with anticyclic expression levels. A gene co-expression network analysis suggested that both have an ancestral relationship but their functions appear antagonistic to each other, i.e., HvHOX1 suppresses whereas HvHOX2 rather promotes spikelet development. Our transgenic promoter-swap analysis showed that HvHOX2 can restore suppressed lateral spikelets when expression levels are increased; however, at its low endogenous expression level, HvHOX2 appears dispensable for spikelet development. Collectively, this study proposes that the dosage of the two antagonistic TFs, HvHOX1 and HvHOX2, influence spikelet development in barley.

Pangenomes are collections of annotated genome sequences of multiple individuals of a species. The structural variants uncovered by these datasets are a major asset to genetic analysis in crop plants. Here, we report a pangenome of barley comprising long-read sequence assemblies of 76 wild and domesticated genomes and short-read sequence data of 1,315 genotypes. An expanded catalogue of sequence variation in the crop includes structurally complex loci that have become hot spots of gene copy number variation in evolutionarily recent times. To demonstrate the utility of the pangenome, we focus on four loci involved in disease resistance, plant architecture, nutrient release, and trichome development. Novel allelic variation at a powdery mildew resistance locus and population-specific copy number gains in a regulator of vegetative branching were found. Expansion of a family of starch-cleaving enzymes in elite malting barleys was linked to shifts in enzymatic activity in micro-malting trials. Deletion of an enhancer motif is likely to change the developmental trajectory of the hairy appendages on barley grains. Our findings indicate that rapid evolution at structurally complex loci may have helped crop plants adapt to new selective regimes in agricultural ecosystems.

Abstract A resistance gene atlas is an integral component of the breeder’s arsenal in the fight against evolving pathogens. Thanks to high-throughput sequencing, catalogues of resistance genes can be assembled even in crop species with large and polyploid genomes. Here, we report on capture sequencing and assembly of resistance gene homologs in a diversity panel of 907 winter wheat genotypes comprising ex situ genebank accessions and current elite cultivars. In addition, we use accurate long-read sequencing and chromosome conformation capture sequencing to construct a chromosome-scale genome sequence assembly of cv. Attraktion, an elite variety representative of European winter wheat. We illustrate the value of our resource for breeders and geneticists by (i) comparing the resistance gene complements in plant genetic resources and elite varieties and (ii) conducting genome-wide associations scans (GWAS) for the fungal diseases yellow rust and leaf rust using reference-based and reference-free GWAS approaches. The gene content under GWAS peaks was scrutinized in the assembly of cv. Attraktion.